使用Matlab+Simulink开发Cortex-M系列嵌入式处理器应用程序
使用Matlab+Simulink开发Cortex-M系列嵌入式处理器应用程序
| 文档编号 |
TN_AAAA_A0 |
| 关键字 |
Matlab, Simulink, Cortex-M, 基于模型设计, Model-Based-Design |
| 摘要 |
本技术笔记对使用Matlab+Simulink开发Cortex-M系列嵌入式处理器应用程序进行说明 |
Mars4zhu
目 录
1 总述 1
2 ARM Cortex-M处理器的Ecoder支持包学习 1
2.1 ARM Cortex-M处理器的Ecoder支持包范例学习 1
2.1.1 arm_cortex_m_gettingstarted范例学习 1
2.1.2 arm_cortex_m_pil_block范例学习 3
2.1.3 arm_cortex_m_model_pil_block范例学习 4
2.1.4 arm_cortex_m_top_model_pil范例学习 4
2.2 ECoder的ARM Cortex-M处理器Simulink模型库 5
2.2.1 TODO: Hardware Interrupt的模型模块的使用。 5
2.3 开发一个目标处理器/目标开发板 5
3 ARM Cortex-M处理器的DSP System Toolbox支持包学习 6
3.1 TODO 6
4 版本历史（Revision History） 7
插图索引
图 11 安装好的Matlab的嵌入式处理器支持包 1
图 21 arm_cortex_m_gettingstarted范例的模型、设置、编译和运行 2
图 22 arm_cortex_m_pil_block范例模型的PIL子系统编译与复制 3
图 23 arm_cortex_m_pil_block范例模型编译与运行 3
图 24 arm_cortex_m_model_pil_block范例模型编译与运行 4
图 25 arm_cortex_m_top_model_pil范例模型编译与运行 5
图 26 arm_cortex_m_top_model_pil范例运行后生成的wrapper封装和代码覆盖运行结果 5
图 27 ecoder for arm_cortex_m 的Simulink模型库 5
表格索引
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1 总述
Matlab为嵌入式处理器应用程序的开发提供了强大的功能，包括Embedded Coder代码生成、Simulink模型转换，Processor-In-the-Loop(PIL)处理器闭环开发等。同时提供了硬件支持包Embedded Coder Support Package for ARM Cortex-M Processors以及DSP System Toolbox Support Package for ARM Cortex-M Processors，并根据流行的开发板提供了对STM32-Discovery、FRDM-K64F以及QEMU模拟器等的硬件支持包。
图 11 安装好的Matlab的嵌入式处理器支持包
本文主要通过Matlab相应的支持包提供的范例，学习基于Matlab+Simulink开发Cortex-M系列嵌入式处理器的应用程序的开发流程，记录学习笔记
2 ARM Cortex-M处理器的Ecoder支持包学习
Embedded Coder Support Package for ARM Cortex-M Processors提供了多个范例来演示学习如何使用Matlab+Simulink来开发ARM Cortex-M嵌入式处理器的应用程序。
2.1 ARM Cortex-M处理器的Ecoder支持包范例学习
2.1.1 arm_cortex_m_gettingstarted范例学习
该范例建立一个最简单的Simulink模型，然后完成针对ARM Cortex-M处理器开发的设置，生成代码，最后运行在QEMU模拟器中。
使用Simulink打开arm_cortex_m_gettingstarted范例，设置后编译并运行。
图 21 arm_cortex_m_gettingstarted范例的模型、设置、编译和运行
模型生成的代码如下：
/* Model step function */
void arm_cortex_m_gettingstarted_step(void)
{
/* Outport: '
* Constant: '
* Gain: '
*/
arm_cortex_m_gettingstarted_Y.Out1 = arm_cortex_m_gettingstarted_P.Gain_Gain *
arm_cortex_m_gettingstarted_P.Constant_Value;
}
/* Model initialize function */
void arm_cortex_m_gettingstarted_initialize(void)
{
/* Registration code */
/* initialize error status */
rtmSetErrorStatus(arm_cortex_m_gettingstarted_M, (NULL));
/* external outputs */
arm_cortex_m_gettingstarted_Y.Out1 = 0.0;
}
/* Model terminate function */
void arm_cortex_m_gettingstarted_terminate(void)
{
/* (no terminate code required) */
}
停止使用QEMU仿真运行Matlab模型命令为：codertarget.arm_cortex_m.stopQemu
2.1.2 arm_cortex_m_pil_block范例学习
arm_cortex_m_pil_block范例模型演示了如何使用PIL，即通过PC软件仿真和硬件处理器仿真进行两者的闭环控制，可以直接对比PC仿真与硬件处理器仿真的差别。
该范例首先需要编译PIL子系统，并将编译后的生成的PIL模块复制到原模型中然后进行PIL仿真。
图 22 arm_cortex_m_pil_block范例模型的PIL子系统编译与复制
图 23 arm_cortex_m_pil_block范例模型编译与运行
从图中可以看出PC仿真和PIL仿真的数值误差为0，说明了PIL仿真的正确性。
2.1.3 arm_cortex_m_model_pil_block范例学习
arm_cortex_m_model_pil_block范例使用单个模块的子系统设置为PIL方式并分别运行仿真的方式，无需额外生成PIL模块并复制。
图 24 arm_cortex_m_model_pil_block范例模型编译与运行
2.1.4 arm_cortex_m_top_model_pil范例学习
arm_cortex_m_top_model_pil范例演示了在顶层模型中设置PIL仿真模式的方式。该仿真方式将整个模型生成一个wrapper封装并编译运行。
图 25 arm_cortex_m_top_model_pil范例模型编译与运行
图 26 arm_cortex_m_top_model_pil范例运行后生成的wrapper封装和代码覆盖运行结果
2.2 ECoder的ARM Cortex-M处理器Simulink模型库
在Simulink的模型库中，选中EmBedded Coder Support Package for ARM Cortex-M Processors可以查看ecoder的ARM Cortex-M处理器模型库，包含一个即Hardware Interrupt的模型模块，在Simulink中插入该模块，则可以实现ARM Cortex-M处理器的各种中断中执行后续的代码。
其设置界面如下：
图 27 ecoder for arm_cortex_m 的Simulink模型库
2.2.1 TODO: Hardware Interrupt的模型模块的使用。
2.3 开发一个目标处理器/目标开发板
TODO:
3 ARM Cortex-M处理器的DSP System Toolbox支持包学习
DSP System Toolbox Support Package for ARM Cortex-M Processors主要是采用CMSIS里面的DSPLib中的DSP函数对Matlab默认生成的DSP函数进行替换，可以充分利用ARM Cortex-M处理器内建的DSP硬件对运算进行加速，挺高效率和性能。
3.1 范例学习
3.1.1 ex_fircmsis_tut范例学习
ex_fircmsis_tut范例采用FIR滤波器对生成的数据和人为叠加的噪声信号进行滤波，通过演示对比FIR滤波器在PC上和在ARM Cortex-M处理器上的执行结果对比，显示了通过调用ARM Cortex-M的DSPLib库函数进行运算的结果。
该范例首先在设置中实现Code Replacement Library中采用ARM Cortex-M （CMSISI）来进行函数替换，然后生成对应的代码。
图 26 ex_fircmsis_tut范例代码替换库设置与代码替换生成报告
最后采用跟arm_cortex_m_pil_block范例相同的方式进行PC与PIL联合仿真对比，结果如下。
其中设置的时候应该取消Generate Code Only选项，并且设置Create PIL Block。
图 26 ex_fircmsis_tut范例编译和运行结果
3.1.2 ex_fircmsis_tut_q15范例学习
在Gain模块中将输出修改为fixdt(1, 16, 15)类型，即ARM-CMSIS-DSP中的q15类型，这样对应生成的函数则是相应的q15类型的函数。
图 26 ex_fircmsis_tut_q15范例Gain模块设置和代码生成函数替代结果
运行结果相同，不再赘述。
3.1.3 ex_fircmsis_tut_mlfun范例学习
ex_fircmsis_tut_mlfun范例为使用代码替换库将Matlab语句中的dsp.FIRFilter系统对象替换为CMSIS中对应的DSPLib库函数。
与前节不同的是，该范例中的FIR滤波器是一个调用Matlab函数的模块，该函数为：
function y = firfun(u)
%#codegen
persistent firfilter;
if isempty(firfilter)
firfilter = dsp.FIRFilter('Numerator', fir1(63,1/3));
end
y = step(firfilter, u);
end
后续设置和编译运行及结果与前节相同。
图 26 ex_fircmsis_tut_mlfun范例代码生成和编译运行结果
3.1.4 ex_fircmsis_tut_ml范例学习
Ex_fircmsis_tut_ml范例采用将Matlab函数代码转化为包含调用CMSIS-DSPLib库函数的C代码。
function y1 = ex_fircmsis_tut_ml(u1)
% Copyright 2013-2016 The MathWorks, Inc.
%#codegen
persistent firfilter;
if isempty(firfilter)
firfilter = dsp.FIRFilter('Numerator', fir1(63, 0.33));
end
y1 = firfilter(u1);
end
通过创建一个coder的配置，完成coder设置后，调用codegen生成代码并编译成lib库文件。
cfgEx = coder.config('lib');
cfgEx.CodeReplacementLibrary = 'ARM Cortex-M';
cfgEx.HardwareImplementation.ProdHWDeviceType = 'ARM Compatible->ARM Cortex';
cfgEx.GenCodeOnly = true;
tempdirObj = dstarmexample.dstTempdir('ex_fircmsis_tut_ml_workflow');
dstarmsrc = which('ex_fircmsis_tut_ml');
dstarmtmpdir = tempdirObj.tempDir;
type(fullfile(dstarmsrc))
copyfile(dstarmsrc, dstarmtmpdir, 'f');
图 26 ex_fircmsis_tut_生成的C代码及其CMSIS函数替代结果
3.1.5 TODO:生成的代码形成的lib库与外部应用层app的调用集成
4 版本历史（Revision History）
| 版本号 |
发布时间 |
内容 |
| A0 |
2017-05-07 |
初次编写 |